Biodizel kao p ogon sko gorivo

BIOGORIVA - PROIZVODNJA, DISTRIBUCIJA I POTICAJIProject BIOSIRE: Biofuels and Electric Propulsion Creating Sustainable Transport in Tourism Resorts15. 06. 2010., Ministarstvo gospodarstva, rada i poduzetništva, Ul. grada Vukovara 78, Zagreb

Biodizel kao pogonsko gorivoprof. dr. sc. Zoran Lulić, dipl. ing. stroj.Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u ZagrebuKatedra za motore i vozilaIvana Lučića 510000 [email protected]

Biodizel kao pogonsko gorivo 2

Sadržaj predavanja

Rudolf Diesel i njegov motor Početci uporabe biogoriva Karakteristike goriva Mješavine biodizela s dizelskim gorivom Prednosti i nedostatci Utjecaj na emisiju štetnih tvari iz motora

Emisija CO2

Snaga i potrošnja goriva pri pogonu biodizelom Preinaka na motorima ...


Rudolf Diesel i njegov motor

rođen 18.03.1858. u Parizu

1880. diplomirao na TU München

1892. podnio zahtjev za patent

1893. počela proizvodnja prvog probnog motora

1897. proizveden prvi funkcionalan motor

• TU München, P = 13.1 kW (17.8 KS) pri 154 min-1, = 26 %

preminuo 29. 09. 1913.


Kako radi Dieselov motor



1 spremnik goriva 2 dobavna pumpa 3 pročišćavač goriva 4 visokotlačna redna pumpa za

ubrizgavanje

5 regulator početka ubrizgavanja 6 regulator brzine vrtnje motora7 brizgaljka7a visokotlačni cjevovodi 8 povrat goriva u spremnik

9 žarnica za hladni start motora10 akumulator11 prekidač za uključivanje12 upravljački uređaj žarnica za

hladni start



1 – mjerač protoka zraka2 – upravljačko računalo3 – visokotlačna pumpa4 – visokotlačni spremnik5 – brizgaljke6 – osjetnik brzine vrtnje KV7 – osjetnik temperature

rashladne tekućine8 – filtar goriva9 – potenciometar pedale

snage


Legenda o Dieselu i biogorivima 1898. u Augsburgu je osnovana nova (i skupa) tvornica Dieselovih motora, a prava proizvodnje Dieselova motora

preuzeli su tvrtke MAN i Krupp

Diesel je postao član uprave, zbog brojnih obveza oko patentnih prava i bolesti Diesel je praktički prestao radi na daljnjem razvoju motora.

Početak rada tvornice Dieselovih motora obilježio je velik boj narudžbi, ali nakon toga slijedila je katastrofa. Za razliku od motora izrađenih prema starim nacrtima, svi novi motori koji proizvedeni s preinakama na kojima je inzistirao sam Diesel su vrlo brzo zakazali.

Gorivo: petrolej i tada je imao prilično visoku cijenu slaba prodaja

Za izlaz iz krize konzorcij proizvođača Dieselovih motora trebao je pozitivan iskorak odnosno dokaz uspješnosti njihova motora, a u tu svrhu odabran je nastup na Pariškoj svjetskoj izložbi (današnji Expo). Na izložbi održanoj 1900. godine Dieselov motor je bio zastupljen preko licenčnih partnera, a sam Rudolf Diesel na izložbi nije sudjelovao zbog bolesti.

Tijekom nastupa na Pariškoj izložbi predstavljena je mogućnost pogona Dieselova motora s gorivima različitih kvaliteta jer je cilj bio demonstrirati neovisnost o tadašnjim, prvenstveno uvoznim gorivima i upotrebljivost motora u područjima u kojima tadašnjih klasičnih goriva nema. Vrlo često spominjano ulje od kikirikija bilo je samo jedno od brojnih goriva i to bez nekog osobitog značaja. Stvarni uspjeh bio je predstavljanje pogona s jeftinijim proizvodima (destilatima) iz nafte pa čak i sirovom naftom što je omogućilo iznimno visoke uštede na cijeni goriva.

Treba napomenuti da je Rudolf Diesel sredinom devedesetih godina devetnaestog stoljeća kupio nekoliko naftnih polja na području današnje Ukrajine. Uvozom nafte želio je osigurati lakšu dobavljivost jeftinog goriva i bolju prodaju svog motora.

Iako Rudolf Diesel nije sam pogonio svoje motore gorivima na osnovu biljnih ulja uvijek će ostati pitanje kakav bi bio razvoj motora i industrije da je umjesto naftnih polja kupio polja repice i suncokreta.


Početci primjene goriva biljnog porijekla i nastanak biodizela U dvadesetim god. prošlog stoljeća (Lanz Buldog). Napušteno zbog

bitno jeftinijih goriva na bazi nafte.

Prva naftna kriza vojni program u Austriji

U osamdesetim god. prošlog stoljeća započeta istraživanja primjene goriva biljnog porijekla.

Ispitivana su sirova ulja manje-više svih biljaka, a kao najprikladnije se pokazalo repičino ulje.

U okviru tih istraživanja počelo se s uporabom sirovog ulja, ali su se ubrzo pojavili problemi.


Početci primjene goriva biljnog porijekla i nastanak biodizela

Sirovo biljno ulje je bitno gušće nego dizelsko gorivo, tijekom izgaranja dolazi do ubrzanog taloženja neizgorjelih dijelova goriva na stjenkama klipa, cilindra, karikama i na samim brizgaljkama. Talog se koksira i dovodi do pogoršanja karakteristika, smetnji u radu motora i stalnog pogoršanja emisije štetnih plinova.

Uslijed lošijeg raspršivanja goriva i više temperature isparivanja repičino ulje dolazi u dodir s uljem za podmazivanje, te ga razrjeđuje što završava havarijskim kvarovima.

Pri pogonu sirovim biljnim uljem već pri temperaturi od 20 °C pokretanje hladnog motora je otežano, kod temperature od 0 °C pokretanje hladnog motora nije moguće, a pri temperaturama od -10 °C biljno ulje postaje žitka masa slična margarinu što u potpunosti onemogućava njegovu uporabu kao goriva.

Kontrolom nataloženih nečistoća u spremniku goriva, utvrđeno je da dolazi do stvaranja gljivica koje su se kasnije proširile po čitavom sustavu za napajanje gorivom.

Problem je riješen primjenom relativno jednostavnog kemijskog procesa – preesterizacijom. U procesu preesterizacije biljnom (repičinom) ulju smanjuje se viskozitet, čime se znatno poboljšava mogućnost pokretanja hladnog motora, a smanjuje se i stvaranje koksnih naslaga.


Biodizel i norme

proizvodnjom u malim pogonima velika odstupanja u kvaliteti

standardizacija svojstava goriva + centralizacija proizvodnje

Veljača 1991. - u Austriji - prednorma (predstandard) ÖNORM C1190

Veljača 1994. - usvojena Austrijska norma.

Lipanj 1994. - Njemačka prednorma DIN V51 606

Krajem 2003. - godine europska norma EN 14214Automotive fuels - Fatty acid methyl esters (FAME) for diesel engines - Requirements and test methods

Hrvatska

2004. – usvojena EN 14214:2003

Danas HRN EN 14214:2010 (= EN 14214:2008+A1:2009)


Karakteristike gorivaVeličina Jedinica Diesel FAME(RME)

Približna kemijska formula CH1.85 C19H35.2O2

Molekularna masa g/mol 120 ÷ 320 296

C % mase 86.5 76.5

H % mase 13 12.3

O % mase 0 11.0

S % mase 0.14 / 0.05 / 0.01 0.002

N % mase 0.015 0.1

Pepeo % mase 0.01 0.02

Stehiometrijska količina zraka kg zraka / kg goriva 14.4 12.8

Gustoća (15 °C) kg/m3 835 878

Promjena gustoće kg/m3K 0.73 0.83

Ogrjevna vrijednost MJ/kg 42.50 37.10

Volumetrijska ogrjevna vrijednost kJ/m3 3536 3265

Ogrjevna vrijednost smjese (0°C, 1 bar) kJ/m3 3813 3775

Početak isparivanja °C 180 320

Kraj isparivanja °C 350 360

Cetanski broj 50 48

Kinematička viskoznost 20 °C mm2/s 6.65 7.07

40 °C mm2/s 2.31 4.35

100 °C mm2/s 0.8 1.78

Temperatura stinjavanja °C +5 ÷ -24 -12

Plamište °C 70 ÷ 90 110 ÷ 140


Rezultati analize biodizela prema HRN EN 14214


Mješavine biodizela s dizelskim gorivom

Dizelsko gorivo i biodizel se mogu mješati u svim omjerima.

Smanjivanje viskoziteta tako nastale mješavine.

Sprečavanje pojave stinjavanja i geliranja kod biodizela u zimskim periodima kada su temperature okoliša znatno niže.

Dodavanje biodizela mineralnom dizelskom gorivu poboljšava njegova svojstva mazivosti.

Sukladno EN ISO HR 590 dodavanje do 7% v/v udjela biodizela smatra se aditiviranjem.

Cilj: povećanje maksimalnog udjela biodizela u mineralnom dizelskom gorivu na 10%.


Prednosti biodizela naspram Dizelskog goriva

Povoljnija bilanca CO2

Povoljnija emisija štetnih sastojaka iz motora

Brza i potpuna biološka razgradivost

izuzetno primjenjivim u ekološki osjetljivim područjima kao što su npr. nacionalni parkovi ili vodocrpna područja

Sadrži vrlo malo sumpora (<0,02% mase)

Relativno jednostavna proizvodnja

Izvrsna svojstva mazivosti


Utjecaj na emisiju štetnih sastojaka iz motora

Izvor: EPA - Analysis of the Exhaust Emission Impacts of biodiesl,Presentation to the Mobile Source Technical Review Subcommittee, 2002 http://www.epa.gov/air/caaac/mstrs/korotney.pdf


Što se ograničava kod MSUI?

Smanjenje dopuštenih emisija štetnih sastojaka prema ECE pravilniku broj 49

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

EURO I EURO II EURO III EURO IV EURO V EURO VI

01.03.1983. 01.05.1990. 01.07.1992. 01.10.1995. 2000 2005 2008 2012

g/kW

h

NOX CO CH PT



Razvoj propisa o ograničavanju emisije štetnih tvari Euro 0 do Euro 6 u %



CO2 zasad nije ograničen

Zahtjev EU da se prosjek

emisije CO2 flote vozila

smanji na 120 g/km

Emisija CO2 je u linearnoj

vezi s potrošnjom i sastavom goriva!

Ciljevi automobilske industrije u smanjenju emisije CO2

hG,mcE 12

442CO

c - maseni udio ugljika u gorivu

mG,h - satna potrošnja goriva


Ciklus CO2 u slučaju pogona motora biodizelom


Emisija CO2 u milijunima tona u EU 2005. po energetskim sektorima i vidovima transporta

Izvor: Rail Transportation and Environment: Fact & Figures. UIC, CER. Listopad 2008. http://www.uic.asso.fr


Zašto se emisija CO2 smatra ključnom


Nedostatci biodizela Nedostatna količina za cjelokupnu zamjenu dizelskog goriva –

procjena je da bi se u optimalnim uvjetima biodizelom moglo podmiriti 20 - 30 % ukupnih potreba.

Uslijed intenzivnijeg gnojenja poljoprivrednih dobara na kojima se uzgaja repica dolazi do stvaranja i isparivanja dušičnog suboksida što rezultira tzv. kiselim kišama.

Obzirom na vrlo dobro razvijen i uhodan sustav proizvodnje mineralnih goriva, biodizel zasad predstavlja skuplje gorivo.

Pri pogonu dolazi do pojave razrjeđivanja ulja za podmazivanje, pa je potrebno češće mijenjati ulje ili dodavati aditive za poboljšanje svojstava.

Biodizel je higroskopan tako da pri skladištenju treba poduzeti dodatne mjere za zaštitu od vlage.

Relativno slaba energetska bilanca proizvodnje biodizela (za proizvodnju jedne litre biodizela potrebno je oko pola litre mineralnog dizelskog goriva).


Krivulja isparavanja

Viša temperatura isparivanja biodizela je nedostatak. na nižoj temperaturnoj razini može doći do slabije pripreme smjese razrjeđivanje ulja za podmazivanje motora

150

175

200

225

250

275

300

325

350

375

400

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Isparena količina goriva [% volumena]

Tem

pera

tura

[°C

]

FAME Metilni ester repičinog ulja

Dizelsko gorivo


Razrjeđivanje ulja

Uporabom biodizela zbog njegove više krivulje isparivanja dolazi do pojave razrjeđivanja ulja za podmazivanje pa je potrebno češće mijenjati ulje ili dodavati aditive za poboljšanje svojstava.

Zahtjevi proizvođača motora! (Problem jamstava)


Snaga motora pri pogonu biodizelom

Na istom motoru i kod jednakog stanja okolne atmosfere ostvariva snaga pri pogonu biodizelomu odnosu na pogon dizelskim gorivom može se procijeniti na slijedeći način:

Postavljanjem u omjer izraz za efektivnu snagu, mijenja se samo srednji efektivni tlak koji je jednak umnošku efektivnog stupnja korisnosti, stupnja punjenja, gustoće zraka pri standardnom stanju atmosfere i ogrjevne vrijednosti smjese:

Diesele,

RMEe,

Diesele,

RMEe,

Diesele,

RMEe,

T2

z

T2

z

p

pn

pV

npV

P

P

H

H

sstandz,pueeHp


Ogrjevna vrijednost smjese Hs:

Omjerom efektivnih stupnjeva korisnosti slijedi

11

14.1

14.1

16.3

6.3

RME,

Diesel,

RME,

Diesel,

Diesel,Diesel,

RME,RME,

Diesele,

RMEe, d

d

e

e

de

de

H

H

g

g

Hg

Hg

923.03536

3265

Diesel,

RME, s

s

H

H

Iz omjera srednjih efektivnih tlakova slijedi:

92.0923.0111Diesel,

RME,

standz,

standz,

Diesel,

RME,

Diesel,

RME,

Diesel,

RME, s

s

pu

pu

e

e

e

e

H

H

p

p

(Očekivani) pad snage korištenjem biodizela u odnosu na pogon dizelskim gorivom iznosi oko 7,5 ÷ 8 %.

Snaga motora pri pogonu biodizelom


Usporedba karakteristike snage i momenta motorapri pogonu mineralnim dizelskim gorivom i biodizelom

(Očekivani) pad snage u iznosu

od 7,5 %.


Potrošnja goriva

Pri pogonu biodizelom specifična potrošnja goriva veća je za približno 14%. Razlog 14 % manja ogrijevna vrijednosti biodizela.

Volumna potrošnja ne raste za isti iznos nego za 8%. Zbog različitih gustoća biodizela i Dizelskog goriva

083.195.014.1RME

Diesel

Diesel,

RME,

Diesel

RME,

RME

RME,

Diesel,,

RME,,

e

e

e

e

Ve

Ve

g

g

g

g

g

g


Preinake na motoru U slučaju tvornički ne prilagođenih motora najznačajnije preinake

pri pogonu biodizelom su promjene u sustavu dobave goriva (otpornost dijelova na koroziju i otpornost gumenih dijelova na djelovanje biodizela).

Početkom devedesetih godina prošlog stoljeća potrebne preinake na vozilima su se izvodile naknadno u obliku tzv. kitova - kompleta dijelova čijom se zamjenom vozilo činilo sposobnim za pogon biodizelom, odnosno mješavinom mineralnog dizel goriva i biodizela.

Novija vozila (EURO 3, 4) - većina europskih proizvođača isporučuje kao tvornički prilagođena za pogon biodizelom.

Vozila s EURO 5 motorima – zabrana korištenja B100!


EURO 5 i biodizel - Kakva je budućnost biodiezla? Za zadovoljavanja EURO 5 propisa na Dieselove motore ugrađuju

se DPF filtri čestica i SCR katalizatori za smanjenje emisije NOX.

Glavni problem je u tome što strategije za smanjenje čestica (PM) i NOX u međusobnoj suprotnosti tj. smanjenjem jedne komponente povećava se druga.

Za funkcioniranje SCR katalizatora u ispuh se ubrizgava otopine uree (komercijalni naziv AdBlue).

Za rad DPF filtra povremeno se ubrizgava dodatna količina goriva koja izgara s vrlo visokim temperaturama i spaljuje čestice.

Dodatno ubrizgavanje biodizela izaziva probleme u radu filtra čestica i SCR katalizatora. Proizvođači zabranili uporabu B100!

Zbog stalnog razvoja i istraživanja napredak postoji!

Moguće rješenje - parafinski biodizel.


Shema sustava za pročišćavanje ispušnih plinova Dieselovog motora Euro 5

Oznake: 1 - spremnik otopine uree (AdBlue), 2 - osjetnik temperature, 3 - osjetnik napunjenosti spremnika, 4 - dobavni modul, 5 - upravljački uređaj, 6 - modul za doziranje, 7 - spremnik zraka, 8 - osjetnik temperature, 9 - osjetnik ispušnih plinova, 10 - dovod zraka, 11 - pročišćeni ispušni plinovi, 12 - cijev raspršivača.


Shema sustava za pročišćavanje ispušnih plinova Dieselovog motora Euro 6

Oksidacijski katalizator (DOC) služi za smanjenje količine NOX u ispuhu, filtar čestica čađe (DPF) služi za pohranjivanje čestica i naknadno izgaranje, SCR+ASC katalizator (engl. Selective Catalytic Reduction + Ammonia Slip Catalyst) služi za smanjenje NOx.


Završne napomene 1/2

EN 590 dozvoljava dodavanje do 7 % biodizela bez ikakvog posebnog naglašavanja.

U praksi to znači da ukoliko kupujete dizelsko gorivo npr. u Austriji, Njemačkoj, Francuskoj ili nekoj drugoj zemlji koja proizvodi biodizel možda se jednim dijelom „vozite na biodizel“, a da to niti ne znate.

U prošlosti je osnovni problem bila agresivnosti biodizela prema materijalima koji su se do tad uobičajeno koristili za izradu vodova i brtvi u sustavu napajanja gorivom.

Svi su vodeći proizvođači Dieselovih motora za pogon osobnih ili gospodarskih vozila, poljoprivrednih i građevinskih strojeva zbog zahtjeva tržišta, a i zbog mogućnosti da se u dizelskom gorivu već nalazi biodizel morali napraviti prilagodbe motora za pogon biodizelom.

S aspekta prilagođenosti pogona motora biodizelom svejedno da li se motor pogoni 100%-tnim biodizelom ili mješavinom biogoriva i mineralnog goriva. U oba slučaja motor i njegovi sustavi moraju biti prilagođeni za pogon biodizelom.


Završne napomene 2/2

Dva osnovna slučaja

proizvođač odobrava pogon vozila 100% biodizelom i nudi jamstvo i u slučaju pogona biodizelom

vozilo izvan jamstvenog roka i sva je odgovornost na strani korisnika

Većina zastupnika u Hrvatskoj prema naputcima proizvođača dozvoljava pogon mješavinom mineralnog dizel goriva s najviše (5) 7 % dodanog biodizela i to samo ako je on u skladu s EN 14214.

Općenit i jednoznačan odgovor nemoguće je dati, ali kao grubo pravilo može se reći da vozila s Dieselovim motorom starosti do osam/devet godina (EURO 3 i 4) u pravilu bi se morala moći pogoniti biodizelom bez poteškoća.

Za krajnjeg korisnika jedini pravilan pristup za uprabu biodizela je provjera kod tehničke službe odgovarajuće marke vozila za svako pojedino vozilo. (Riječ je o običnoj tehničkoj informaciji koja se ne naplaćuje).


Zahvaljujem na pažnji!

prof. dr. sc. Zoran Lulić, dipl. ing. stroj.

Sveučilište u Zagrebu

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Katedra za motore i vozila

Ivana Lučića 5

10000 Zagreb

[email protected]

Documents

Biodizel kao p ogon sko gorivo